试论太阳能光伏发电系统在高校的应用实践与效果评估

试论太阳能光伏发电系统在高校的应用实践与效果评估

傅婧

（中国能源建设集团西北电力建设甘肃工程有限公司，甘肃兰州  730070）

摘要：目前，我国对能源的需求不断增加，太阳能光伏发电工程建设也越来越完善。能源与环境已经成为制约国内可持续发展战略的重要因素，尤其是一些不可再生资源枯竭问题更是受到国际社会的广泛关注。太阳能作为一类可再生资源，通过将太阳能转化为电能在一定程度上能够减少不可再生能源的消耗速度，同时太阳能还具备安全、储量丰富以及无污染特性，因此将太阳能光伏发电系统应用到高校当中，有助于高校实现节能减排目标。

关键词：太阳能光伏发电；高校；应用实践；效果评估

引言

太阳能光伏发电技术作为一种重要的可再生绿色能源利用技术，具有无污染、可再生、安装地点机动灵活、可存储性等诸多特点，是实现双碳目标的有力手段。目前，随着光伏技术的进步以及各行业市场需求的双重驱动，国内光伏发电的生产成本逐步降低。

1太阳能光伏技术优点

（1）供电可靠性。太阳能发电技术是一种对太阳能量进行有效利用的技术。常规的太阳能使用方法是在供热处理中使用太阳能，到1839年人们首次发现太阳能电池的光电特性，但受限于技术和生产能力的影响，全球首个单片硅基太阳能电池，一直到1954年才被生产出来。尽管这一技术受到国际上的广泛重视，但是由于其较高的制造费用而未能大规模普及。在21世纪之后，光伏发电技术得到迅速发展，有关材料和装备的成本也在持续下降，这为太阳能光伏发电技术的广泛应用奠定了坚实的基础。目前，太阳能电池的使用非常普遍，利用太阳电池为城镇和农村提供可靠的电力供给。（2）资源充足、干净、不受环境影响。太阳能资源丰富，是一种洁净的能源，与传统的矿物能源燃烧发电技术相比，太阳能光伏发电技术不会对生态环境产生污染和破坏，也不会产生因能量过度开采和利用而带来的严重后果。从国内的太阳能分布情况来看，我国地域广阔在西部高原地区拥有丰富的太阳能资源，在不高的人口密度条件下，可为发展光伏发电技术提供一个可靠的地理和环境条件。例如西部部分区域的太阳辐射强度都可以高达4kW/m2，而在西北部的某些区域，更是高达7kW/m2以上。

2太阳能光伏发电技术发展现状

近年来，光伏技术在全球范围内备受关注，各国纷纷加大对其研究和产业发展的投入，推动了光伏发电领域的快速创新和广泛应用，尤其是多晶硅太阳能电池在各类电池中应用最为广泛。这种趋势反映了对清洁能源的迫切需求，标志着光伏技术作为未来能源的主要选择之一。通过不断提升光伏发电技术水平，各国积极致力于提高发电效率、降低成本，例如，对电网结构和表面处理的不断优化等方法，积极寻求更加可持续和环保的能源解决方案。这一努力不仅为推动可再生能源行业的发展注入了新的动力，光电转换效率得以提升，同时也为实现全球清洁能源转型目标奠定了坚实的基础。在光伏技术的引领下，有望迎来更加绿色、可持续的能源时代。除了多晶硅太阳能电池，薄膜太阳能电池采用非晶硅、铜铟镓硒（CIGS）、铜铟镓硫（CIS）等材料制成薄膜层，具备较低的生产成本和更好的适应性。这种新型太阳能电池在柔性和轻质性能方面表现出色，使得其在建筑一体化、便携式设备以及光伏电池组件的应用方面具备更大的灵活性。薄膜太阳能电池的制备过程相对简单，生产能耗较低，这不仅有望降低整体能源生产的环境影响，还能够推动太阳能技术在更广泛的应用领域取得突破。随着对清洁能源的不断追求，薄膜太阳能电池的研究和应用将成为太阳能领域一个备受关注的发展方向。在20世纪70年代，我国太阳能光伏发电产业初露端倪。当时，太阳能电池及相关装置的生产量起步较为艰难，随着政策支持和技术创新的不懈推动，产业经历了20多年的发展，取得了显著的成果。太阳能光伏技术逐渐成熟，产品性能稳步提升，生产规模也实现了迅猛增长。我国太阳能光伏发电产业逐渐步入稳健发展的阶段。政府对可再生能源的支持政策不断完善，各类技术创新层出不穷，太阳能光伏产业链逐渐完备。同时，市场需求的不断增长也推动了太阳能光伏产业的繁荣发展。这一阶段的发展为我国太阳能光伏产业奠定了坚实的基础，为未来的可再生能源发展奠定了重要的技术和产业基础。尽管太阳能光伏技术在农村地区取得了一定的成功，但在实现大规模并网发电方面，仍面临一些挑战。我国电力结构需要进一步发展和优化，以更好地适应不断增长的市场需求。为了推动太阳能光伏技术在全国范围内的普及和应用，需要建立健全的政策体系，提供更多的激励措施，包括财政和税收支持，降低设备成本，并加大对研发的资金投入。在政策支持的基础上，不断提高太阳能光伏技术的效益和可靠性，增加其在电力系统中的比重。技术创新、产业链升级以及国际合作将是未来太阳能光伏产业发展的重要方向。

3太阳能光伏发电系统在高校的具体应用

3.1充分利用太阳能资源

太阳能光伏发电与建筑一体化应先分析建筑所在地的地理气候条件和太阳能资源情况，以确定太阳能发电的潜力和可行性。考虑周围环境因素，包括其他建筑物的遮挡，以确保光伏组件能够充分接收太阳能辐射。与建筑的外装饰协调，将光伏组件嵌入屋顶或墙壁的装饰面层中，实现外观的一体性。考虑光伏面层的分格布局，以最大程度地利用可用空间。利用透光部位，例如透明的太阳能组件，可以代替传统的采光顶，实现自然采光和同时收集太阳能的双重效益，有助于提高建筑内部的采光质量，减少能源消耗。

3.2并网光伏发电系统

首先，与公共电网连接使得系统能够随时调节供电状态，确保稳定的电力输出。其能源替代效果显著，对环境污染的减少和能耗控制的提高具有积极作用。并网光伏发电系统的工作原理简单而高效，光能通过光伏电池转化为电能，然后与公共电网连接，实现电能的传输和共享。这一连接还带来了电网调峰的功能，有助于维持电网末端电压的稳定，改善功率因数，减少电网损耗。而且，其具备与电网相互交互的特性，随时可以向电网存取电能，使系统更加灵活。在建筑物应用方面，与公共电网连接的并网光伏发电系统通常采用建筑一体化的模式。光伏方阵与建筑物相结合，形成屋顶光伏方阵、墙面光伏方阵等，不仅能够为建筑内部提供电能，还能将多余的电能返还给电网。相较于独立系统，不再依赖蓄电池可以降低建设成本，提高供电可靠性。总体而言，并网光伏发电系统在当前电力工业中扮演着重要的角色，是推动太阳能光伏技术主流发展的重要方向。

3.3智能监控与远程管理

通过人工智能监控与远程管理，太阳能光伏发电系统的运行可以更加智能化、高效、可靠，系统维护和管理变得更加便捷。启动LabVIEW程序，进行系统初始化，包括设备连接、传感器校准等操作。配置VISA串口，用于实时显示太阳能光伏系统的各项参数，如光照强度、温度、电流、电压等数据。通过LabVIEW中的数据采集工具获取各个传感器的实时数据，设定报警阈值，监测系统参数是否超过预定范围。如果检测到异常，触发报警机制，如弹出警告窗口或通过其他通知方式提醒用户。将采集到的数据存储到数据库或文件中，以便进行历史数据的查询和分析。通过LabVIEW的图形化编程界面，用户可以方便地进行操作，令太阳能光伏系统的监控系统设计更加直观、灵活。

3.4顶部光伏采光

顶部光伏采光可以直接接受太阳辐射，从而提高太阳能利用效率。这种方式使建筑能够主动捕获太阳能，降低对传统电力的依赖。顶部光伏采光可以解决玻璃幕墙吸收太阳辐射而导致建筑过热的问题。光伏组件可以将一部分太阳辐射转化为电能，同时减少了传导到建筑内部的热量，提高了居住舒适性。在顶部光伏采光系统中，可以选择无遮挡或遮挡率较低的位置，以改善太阳能吸收效率，这有助于在不同时间和季节最大程度地利用太阳能资源。使用高透明度的材质，例如透明的太阳能玻璃或透明太阳能薄膜，可以进一步提高光伏组件的吸收效率。

3.5电缆敷设

相邻集装箱顶部光伏板与光伏板、光伏板与组串逆变器之间电缆沿集装箱顶部光伏支架敷设。组串逆变器与临建配电箱之间电缆，采用直埋穿电缆保护管敷设。电缆采用C级阻燃电缆，盘柜箱底部开孔处、电缆管两端进入建筑物入口处等采用防火封堵。

3.6光伏幕墙

光伏幕墙是太阳能光伏发电与建筑一体化的主要技术之一，它将太阳能光伏组件融入建筑的外立面或幕墙中，实现了能源生产和建筑外观美化的双重目标。光伏幕墙通常采用双层玻璃光伏组件，将光伏方阵嵌入玻璃幕墙的夹层中。这种设计不仅可以发电，还能提供外部光线的透射，满足建筑内部的采光需求。与普通建筑材料相比，光伏玻璃幕墙具备隔音、隔热等功能，可以有效减少外界噪声的传入，提高建筑的隔热性能，并具备耐火、防风、抗冲击等特性。光伏玻璃幕墙可以最大限度地利用太阳能，将建筑外墙变成发电装置，实现了绿色环保，有助于减少建筑的碳足迹，降低对传统能源的依赖。

4太阳能发电项目的发展趋势

在目前阶段，由于太阳能发电项目主要分布在人口比较稀少的地区，因此可以建立具有较大规模的地面光伏发电站，来满足其市场化的要求。同时，巨大的用地需求量也限制太阳能发电的发展，所以科研人员设计出农光互补、林光互补等分布式的发电厂，以此方式最大限度地利用空间，并建造小型光伏发电厂利用有限的土地资源，降低光伏发电对土地资源的要求。但是，该类太阳能电池板的维修与养护工作相对困难普通民众无法承担，所以该技术的推广面临着技术、环境和政策等诸多障碍。目前，国内对于太阳能电池板的开发仍有许多不够完善的问题，需要科研人员结合我国发展与用电现状，研发新技术，开创新项目，最大化发挥我国太阳能资源与土地资源，但同时需要注意我国西北高原地区的独特地理特征，明确因其地理位置和地理位置的特殊性，导致其在当地的开发和应用受到限制问题。

5太阳能光伏发电系统在高校的具体应用

某学院位于江苏省，共有中心校区与南校区两校区，教学楼、宿舍楼等建筑物屋顶可利用总面积为11万m2，可供放置太阳能光伏发电系统的屋顶总面积为5万m2。2017年席正飞等人提出“某学院太阳能光伏发电系统”理论，为高校内太阳能光伏发电系统构想作出理论支撑。在研究过程中，L学院拟利用建筑物顶楼空间安装1.63m2太阳能电池，通过可利用屋顶总面积×太阳能光伏发电系统太阳能电池规格得出结论，高校内共需要太阳能电池约为30675块，高校内除了需要的安装太阳能电池以外，还需要引进太阳能光伏发电系统配套设施，具体包括汇流箱、直流柜、逆变器、隔离变、光伏电缆以及直流电缆等等，在某学院太阳能光伏发电系统中采用并网发电模式，并入低压配电网，发电全部为自用，当光照充足时发电系统会将电力资源馈入电网中并用于负载使用，当天气不利于发电时，负载将会直接通过电网取电。某学院整套太阳能光伏发电系统理论，为高校太阳能光伏发电系统建设提供了思路，高校在应用太阳能光伏发电系统时，首先需要考虑太阳能电池类型，上文分析电池特性与质量将会直接影响到系统发电水平，因此高校在电池选择阶段需要重点考虑应用条件，高校应当按照当地太阳辐射强度、年光照量以及气候特征等选择太阳能电池组件，如高校位于太阳能辐射强度较高的地区时，设计人员应当将晶体硅光伏组件或者聚光组件作为首选，若高校位于太阳能辐射强度较低的地区，则需要将薄膜光伏组件作为系统发电首选，某学院光照资源比较丰富且太阳能辐射强度较高，因此在系统设计过程中，将会采用255W多晶硅太阳能电池组件。除此之外，高校太阳能光伏发电系统内，还应当包括监控测量系统，该系统能够起到监控光伏发电系统内各功能组件的作用，在监控测量系统中需要显示系统直流、交流与累积信息，如直流电流、输出电压以及系统每日发电量与总发电量等，此外还应当具备报警信息，当逆变器温度超过正常水平，或者系统风扇出现故障时便会及时显示。

结语

根据我国新能源开发利用趋势及高校建筑工程绿色节能发展态势可以意识到，太阳能光伏发电与建筑一体化技术在建筑工程建设中具有十分广阔的应用前景，将其应用于绿色节能建筑工程建设，是提升建筑节能功能的有效手段。为了推动绿色节能建筑工程发展，有必要积极开展节能建筑对太阳能光伏发电与建筑一体化技术的应用研究。

参考文献

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[3]李小雄.高校光伏发电系统及其综合功效探析[J].科技创新与应用，2013（33）：4-5.